水の役割を理解するための新しい科学

アクアフォトミクスは、神戸大学農学研究科生体計測工学研究室のルミアナ ・ツェンコヴァ教授によって提唱された新しい「オミックス 」分野です。

この新しい分野の主な目的は、様々な摂動の下で水の電磁スペクトルをモニタリングすることによって、生物学的及び水溶液系における水の分子システムの役割を理解することです。

アクアフォトミクスは、水の電磁スペクトルパターンを、システムの機能に直接関連する多次元の総合的なマーカーとして提示します。

アクアフォトミクスは、生物学的及び水溶液系における水が物質とエネルギーの「鏡」として機能するという発見に基づいているため、そのスペクトルパターンを使ってシステム全体を特徴付けることができます。 これは、ウォーターミラーアプローチ(WAMA)とも呼ばれます。

ウォーターミラーアプローチ (WAMA)

セグメント化からグローバルアプローチへ

人の健康、食品の安全、持続可能な開発、環境において、水は非常に貴重な資源です。

生物学的及び水溶液系における水の役割を理解することは非常に重要です。

歴史的に、水の性質は広く研究されてきました。
X線分光法からテラヘルツ分光法まで、水自体の化学的性質を研究するために様々な方法が適用されてきました。

しかし、これらの技術が水分子に関する貴重な情報を得ることができても、環境に関連した相互依存関係のある機能システムとして水に焦点を当てるのとは対照的に、一般的には孤立した別々の化学的および物理的な主題として水に焦点を当てます。

また、生物科学の観点から見ると、生物学者は、ごく最近までシステムすべての構成要素の影響(特に水を)を考慮せず、自然現象に関連する単一の生体分子を特定することに焦点を当てていました。

しかしながら、単一の生体分子の機能は周囲の構成要素の分子構造と高度に関連しており、システム全ての構成要素の影響を受けます。したがって、生体分子は周囲の構成要素から分離していると見なされるべきではない。

さらに、それらの分子構造は、周囲の水分子との水素結合の形成と密接に関連しています。

したがって、アクアフォトミクスでは、生物学的水溶液のシステムの水分子構造は、それぞれのシステムの機能を反映した全体的な「鏡」と見なされます。

水はさまざまな分野でさまざまな方法で研究されてきており、それらのすべてが独自の専門用語を使用しているため、科学的発見をある分野から別の分野に翻訳することは非常に困難です。

アクアフォトミクスは、異なる分野間で水に関する知見を翻訳するために、「文字」が水のバンドで、水のスペクトルパターンが異なる現象を識別する「単語」である「水語彙」を構築する機会を提供します。

新しい「オミックス」分野  還元主義者から全体的なアプローチへ

ゲノミクス、プロテオミクス、メタボロミクス、そしてさらに「オミックス」が生命科学に革命をもたらしました。

しかし、それらは孤立した要素を研究しているため、システムを縮小しています。

より包括的な見方は、システム生物学と機能的な「オミックス」分野によって部分的に対処されています。

それらはプロテオミクス、トランスクリプトミクスおよびメタボロミクス情報を統合して細胞生物学のより良い理解を提供します。

アクアフォトミクスは、他のすべての「オミックス」分野を網羅する全体論的アプローチとして紹介されています。

アクアフォトミクスは、システムを縮小することなくシステム全体を観察します。

さまざまな摂動下で以前に取得した多くのスペクトルデータを使用し、1つの水スペクトルのみを分析することによって、アクアフォトミクスは機能性に関する識見、および他のすべての「オミックス」分野で調査されるシステムの構成要素を提供します。

アクアフォトミクスは、他のすべての「オミックス 」アプローチを網羅しています。

「静的・破壊」から「動的・非破壊・非侵襲」なアプローチへ

ゲノミクスとプロテオミクスでは、データベースを作り、そして、生物学的プロセスを理解するために使用するには、個々の要素(遺伝子、タンパク質)を一つずつ分離する必要があります。しかしそのような分析をすることは非常に時間がかかりますし、骨が折れます。

さらに、分析された対象物の破壊を必要としますので、プロセスの単一の時点(静的)の図だけが提供されます。

生物学的プロセスの速度、可塑性および多因子依存性を考慮した場合、静的な一度に一個のアプローチは、より動的かつリアルタイムの方法で置き換える必要があることは明らかである。

動力学の側面では、メタボロームプロファイリングによって部分的に対処されており、特定の瞬間における細胞の生理機能のスナップショットを取得することができる。

メタボロミクスとアクアフォトミクスはまったく異なるアプローチを取っていますが、同じ問題を解決しようとしています。(プロセスの相互関係の時間依存情報を体系的に、一目で把握できるようにします。)

メタボロミクスとは対照的に、アクアフォトミクスは測定によってサンプルを破壊することはないため、同じオブジェクトを高速、非破壊的、非侵襲的かつ継続的に調査することができ、それによって進行中のプロセスを動的に監視できます。

水と光の動的な相互作用とその生物学的機能との関係を理解することによって、アクアフォトミクスは生物系の単一要素を記述する他の「オミックス」分野によって得られた知識を結び付けます。

アクアフォトミクスと従来の分光法

アクアフォトミクスは、従来の分光法と根本的に異なります。

ほとんどの近赤外分光法の研究において、吸水帯は本当の情報を隠蔽すると考えられています。 関心のある分子の吸光度をより良く「見る」ために、グルコースを吸水帯の外側で測定するか、または水を蒸発させます。

対照的に、アクアフォトミックスでは、水のスペクトルパターンが主な情報源と見なされます。 水は、システムの「マトリックス」・「エンベロープ」・「足場」です。

アクアフォトミクスでは、個々の分子の存在ではなく、システムの「機能性」が重要です。

・ほとんどの従来の分光研究では、システムを診断する際に、モデルを別々の構成要素ごとに作成することで、モデルを組み合わせると誤差が増大し、それによって不正確な結果が生じます。

アクアフォトミクスでは、個々の要素を探すのではなく、水のスペクトルパターンを全体的なマーカーとして使用します。このマーカーをモニタリングすると、3σ以上の差があるシステム変化の情報を得ることができます。

アクアフォトミクスは、可視域および近赤外域のスペクトルでよく発達しています。

NIRの範囲は生物および水溶液の非侵襲的な測定のために完全な窓として機能します。近赤外光が水中深くに浸透すると、完全には吸収されず、水溶液に含まれる全ての物質やエネルギーと相互作用した後に水から戻ってくる光のスペクトルを測定することを可能にします。

現在、従来の近赤外分光分析の分野では、より多くの科学者・化学者が情報の源として水のスペクトルデータを含めています。

アクアフォトミクスを研究することは、科学者が生物学的および水溶液系における水の機能性を理解する手助けになるでしょう。

アクアフォトミクスに関する語彙集

ウォーター・アブソーバンス・バンド(WAB):WABは、一定の摂動のステップに応答して光学密度の変動が最も大きいスペクトル帯である。

水バンドは、水の分子構造とシステムの機能に関する情報の中心です。

アクアフォトミクスでは、水バンドは「文字」と呼ばれます。

ウォーター・マトリックス・コーディネイツ(WAMACS):WAMACSは、生物学的および水溶液系の可視域-近赤外域範囲(およびその他の電磁スペクトル)の水スペクトルに対するさまざまな摂動の影響に関する情報を取得して表示するために導入されました。

WAMACSは、水バンドが最も高い確率で見つかるスペクトル範囲です。

WAMACSは情報の中心であり、水の分子構造に割り当てられています。

水の最初の倍音については、12のWAMACSが実験的に発見されており、これらはIR範囲で既に報告されている水バンドの倍音計算によって確認されています。

WAMACS内のWABの正確な位置は、生物/水溶液と摂動によって異なります。

ウォーター・スペクトル・パターン(WASP):すべての摂動と生物 – 水溶液に固有の水バンド(文字)が見つかります。

それらのそれぞれの水バンドにおける正規化された光学密度は、関心のある摂動(ワード)ごとに特定の水スペクトルパターン(WASP)を作り出す。

WASPは、システムの機能に直接関連するホリスティックマーカーとして使用できます。

アクアグラム: アクアグラムは、ウォーター・スペクトル・パターン(WASP)を視覚化したものです。軸はそれぞれの摂動に対して見られる水バンドです。

水の最初の倍音について、アクアグラムの軸は、以前に発見された12のWAMACSに基づいています。

各WABの正確な位置は、特定のスペクトルデータセット(システムと摂動)に基づいています。

これらの軸は、異なるシステムまたは同じシステムの条件を比較するために使用できます。

システムの詳細な分析が進むと、新しいWABが発見され、軸として使用される可能性があります。

アクアフォトム: アクアフォトムは、1)水の分子構造に関連する割り当てを持つすべての既存の水バンド、および2)システムごとの機能性と摂動の解釈を含む水のスペクトルパターンの包括的なデータベースです。

アクアフォトムの発展は、水と光の相互作用のアルファベットを書くことと見なすことができます。ここで、WABは文字で、WASPは単語です。

アクアフォトム全体は、システムごとのアクアフォトムと摂動から構成されています。

ウォーターミラーアプローチ(WAMA):アクアフォトミクスは、水が物質とエネルギーの鏡であるという性質を発見して利用します。

複雑なシステムのすべての構成要素は、水分子システムによって「反映」されていると想定されます。

水のスペクトルパターンによって記述される水の分子構造/システムは、システム内の残りの要素に関する情報を提供します。